Порівняльний аналіз методів екстракції кератинів з вовни овець та волосся людини

В. Гавриляк¹, В. Михалюк²

Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам необхідно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

¹Національний університет «Львівська політехніка»,
Інститут хімії та хімічних технологій,
пл. Св. Юра 3/4, м. Львів, 79013, Україна

²Інститут біології тварин,
вул. В. Стуса, 38, м. Львів, 79034, Україна

На сьогодні такі біополімери, як кератини, широко застосовуються у біомедицині завдяки їхній низькій токсичності, здатності до самозбирання та біодеградації. На молекулярному рівні кератини відрізняються від інших структурних протеїнів високим вмістом дисульфідних зв’язків, що забезпечують утворення компактних тривимірних структур, стійких до хімічної та біологічної деградації. Нативні кератини мають впорядковану будову, тоді як їхня відновлена форма характеризується більш гнучкою структурою з великою кількістю доступних функціональних груп. Характерною особливістю солюбілізованих кератинів є їхня здатність до полімеризації, тому їх успішно використовують для виробництва біоматеріалів. Екстракція кератинів з природних волокон є важливим кроком на шляху до створення функціональних біоматеріалів. Цей процес ускладнюється великою кількістю міжмолекулярних та внутрішньомолекулярних дисульфідних зв’язків у молекулі кератину. Тому важливо екстрагувати ці протеїни методом розриву міжмолекулярних дисульфідних зв’язків зі збереженням ковалентних зв’язків поліпептидного ланцюга. Мета наших досліджень полягала у порівнянні ефективності екстракції кератинів різними методами. В експериментах використовували вовну овець та волосся людини. Ефективність екстракції (%) розраховували через співвідношення маси екстрагованого кератину до початкової маси волокон. Молекулярну масу відновленого кератину визначали за допомогою електрофорезу у буферній системі Леммлі. Згідно з отриманими результатами, ефективність екстракції кератинів коливалася в діапазоні від 32% до 51% і залежала від складу екстракційної суміші. Електрофоретичний аналіз усіх кератинових екстрактів показав наявність двох смуг протеїнів, що відповідають типу І і типу ІІ протеїнів інтермедіальних філаментів. Наявність цих протеїнів забезпечує самозбирання у складні структури.

Ключові слова: кератини, екстракція, вовна овець, волосся людини

1. Ayutthaya SIN, Tanpichai S, Wootthikanokkhan J. Keratin extracted from chicken feather waste: extraction, preparation, and structural characterization of the keratin and keratin/biopolymer films and electrospuns. J. Polymer. Environ. 2015; 23: 506–516. https://doi.org/10.1007/s10924-015-0725-8
2. Bradford MM. A rapid and sensitive method for the quantitation of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Biochem. 1976; 72: 248–254. https://doi.org/10.1016/0003-2697(76)90527-3
3. Cardamone J Investigating the microstructure of keratin extracted from wool: peptide sequence (MALDI-TOF/TOF) and protein conformation (FTIR). J. Mol. Structure. 2010; 969 (1–3): 97–105. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2010.01.048
4. Cheng Z, Chen X, Zhai D, Gao F, Guo T, Li W, Hao Sh, Ji J, Wang B. Development of keratin nanoparticles for controlled gastric mucoadhesion and drug release. Nanobiotech. 2018; 16, 24. https://doi.org/10.1186/s12951-018-0353-2
5. Feroz S, Muhammad N, Ranayake J, Dias G. Keratin-Based materials for biomedical applications. Bioactive Materials. 2020; 5 (3): 496–509. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2020.04.007
6. Foglietta F, Spagnoli GC, Muraro MG, Ballestri M, Guerrini A, Ferroni C, Aluigi A, Sotgiu G, Varchi G. Anticancer activity of paclitaxel-loaded keratin nanoparticles in two-dimensional and perfused three-dimensional breast cancer models. J. Nanomed. 2018; 13: 4847–4867. https://doi.org/10.2147/IJN.S159942
7. Grkovic M, Stojanovic DB, Kojovic A, Strnad S, Kreze T, Aleksic R, Uskokovic PS. Keratin-polyethylene oxide bio-nanocomposites reinforced with ultrasonically functionalized grapheme. RSC Adv. 2015; 5 (111): 91280–91287. https://doi.org/10.1039/C5RA12402F
8. Kamarudin NB, Sharma S, Gupta А, Kee CG, Chik SMSBT, Gupta R. Statistical investigation of extraction parameters of keratin from chicken feather using Design-Expert. 3 Biotech. 2017; 7: 127. https://doi.org/10.1007/s13205-017-0767-9
9. Kim SY, Park BJ, Lee Y, Park NJ, Park KM, Hwang YS, Park Human hair keratin-based hydrogels as dynamic matrices for facilitating wound healing. J. Ind. Eng. Chem. 2019; 73: 142–151. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2019.01.017
10. Laemmli UK. Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of bacteriophage T₄. Nature. 1970; 227 (1): 680–685. https://doi.org/10.1038/227680a0
11. Li R, Wang D. Preparation of regenerated wool keratin films from wool keratin-ionic liquid solutions. Appl. Polym. Sci. 2013; 127 (4): 2648–2653. https://doi.org/10.1002/app.37527
12. Nakamura A, Arimoto M, Takeuchi K, Fujii T. A rapid extraction procedure of human hair proteins and identification of phosphorylated species. Biol. Pharm. Bull. 2002; 25 (5): 569–572. https://doi.org/10.1248/bpb.25.569
13. Nakata R, Osumi Y, Miyagawa S, Tachibana A, Tanabe T. Preparation of keratin and chemically modified keratin hydrogels and their evaluation as cell substrate with drug releasing ability. Biosci. Bioeng. 2015; 120 (1): 111–116. https://doi.org/10.1016/j.jbiosc.2014.12.005
14. Nayak KK, Gupta P. Study of the keratin-based therapeutic dermal patches for the delivery of bioactive molecules for wound treatment. Sci. Eng. C. 2017; 77: 1088–1097. https://doi.org/10.1016/j.msec.2017.04.042
15. Robbins CR. Chemical and physical behavior of human hair. Berlin Heidelberg, Springer-Verlag. 2012: 724 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-25611-0
16. Sierpinski P, Garrett J, Ma J, Apel P, Klorig D, Smith T, Koman LA, Atala A, Van Dyke The use of keratin biomaterials derived from human hair for the promotion of rapid regeneration of peripheral nerves. Biomaterials. 2008; 29 (1):118–128. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2007.08.023
17. Sinkiewicz I, Śliwińska A, Staroszczyk H, Kołodziejska I. Alternative methods of preparation of soluble keratin from chicken feathers. Waste Biomass. Valor. 2017; 8: 1043–1048. https://doi.org/10.1007/s12649-016-9678-y
18. Tonin C, Aluigi A, Varesano A, Vineis C. Keratin-basednanofibers. In: Nanofibers. Ed. by Kumar A. InTech. 2010; 139–158. https://doi.org/10.5772/8151
19. Wan X, Wang Y, Jin X, Li P, Yuan J, Shen J. Heparinized PCL/keratin mats for vascular tissue engineering scaffold with potential of catalytic nitric oxide generation. Biomater. Sci. Polym. 2018; 29 (14): 1785–1798. https://doi.org/10.1080/09205063.2018.1504192
20. Wong SY, Lee CC, Ashrafzadeh A, Junit SM, Abrahim N, Hashim OH. A high-yield two-hourprotocol for extraction of human hair shaft proteins. PLoS ONE. 2016; 11: 10. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0164993